CN103412619A - 一种异构多核的红外图像处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异构多核的红外图像处理系统及方法，主要包括以下几个方面：1.利用Zynq的可编程逻辑实现探测器的驱动时序，完成红外图像的采集与缓存；2.利用Zynq的处理器CPU0运行Linux操作系统，编写基于Qt的显控界面；3.利用Zynq的处理器CPU1实时响应串口命令，在线设置系统参数和视频驱动芯片；4.利用可编程逻辑实现算法的硬件加速，以及视频芯片的驱动时序。本发明的优点是：利用全可编程平台Zynq片内的ARM+FPGA架构开发了一种多核异构的红外图像处理系统，显著降低了硬件的设计难度，消除了传统架构芯片级互连所带来的系统带宽瓶颈，用户IP的设计与集成也更简捷灵活，通用性强。
Description
技术领域
本发明涉及红外图像的传输、处理与显示技术，具体来说是一种异构的红外图像处理系统及方法。它主要利用全可编程平台Zynq，以其片内的双核ARM处理器为核心，配以可编程逻辑，构建了一种异构多核的红外图像处理系统，用于红外成像探测系统中红外图像的实时处理与显示。
背景技术
红外成像探测系统通过红外探测器获得目标的红外图像，然后对红外图像进行预处理和目标检测，最后将目标图像输出到显示屏用于显示观测。实时性好、处理能力强的红外图像处理系统是红外成像探测系统的关键技术。
以往的红外图像处理系统的典型架构如下：红外探测器输出图像至FPGA，在FPGA完成图像的预处理(非均匀性校正、图像增强等)，然后FPGA将预处理完的图像传输至DSP，实现目标检测，最后将图像传送到主机用于显示。这种传统的FPGA+DSP+PC的架构，硬件设计比较复杂，系统也不容易小型化。FPGA和DSP芯片级互联的带宽往往是整个系统的瓶颈，对于高速大数据量的红外图像处理系统，实现起来会比较困难。而且整个架构以DSP为核心，没有统一的总线接口，系统模块的集成与扩展有一定局限性。
因此，设计一种体积小、高吞吐量、具有强大实时处理能力、总线接口统一便于集成的红外图像处理系统非常必要。本发明采用全可编程平台Zynq,以其片内的双核ARM处理器为核心，配以可编程逻辑，构建了一种异构多核的红外图像处理系统，该架构降低了硬件设计难度，提供了足够的片内带宽，消除了芯片互联的带宽瓶颈，同时系统采用统一的AXI总线标准，结构简洁，模块设计简便灵活，可维护性好，通用性强。
发明内容
本发明的目的在于提出一种红外图像处理系统架构及方法，实现红外图像数据的高速传输、处理和显示。
本发明所采用的硬件平台主要包括：一片全可编程芯片Zynq，一片DDR3SDRAM，一片SD卡，一片视频驱动芯片和一台显示器。
所述的全可编程芯片Zynq包含双核ARM处理器以及可编程逻辑；所述的DDR3SDRAM容量在512MB-16GB之间，数据总线不超过32位；所述的SD卡容量不小于4GB，采用FAT32文件系统；所述的视频驱动芯片具有HDMI输出以及通用的寄存器控制接口；所述的显示器带有HDMI接口，支持720p60Hz视频格式；
各个硬件组成部分的连接关系是：红外探测器输出经模数转换后与全可编程芯片Zynq的可编程逻辑部分连接；可编程逻辑部分的逻辑以模块IP的形式通过AXI总线连接到全可编程芯片Zynq的片内ARM处理器；ARM处理器通过内部集成的控制器控制外围设备。
所述的异构多核的红外图像处理系统，其图像信号处理方法如下：
1利用Zynq片内的可编程逻辑，产生红外探测器的驱动时序和电机的控制信号，控制红外探测器输出，同时构建片内缓存，用于接收模数转换后的数字图像信号。
2图像处理算法利用可编程逻辑实现。图像从外部存储器中读入，经硬件处理后，利用视频直接存储器访问方式传递给视频驱动芯片用于显示。
3以Zynq片内的双核ARM处理器为核心，搭建红外图像处理系统。其中在CPU0上运行Linux操作系统，实现各个硬件IP的驱动，并在用户空间利用Qt实现系统的图形用户界面，用于人机交互和控制。而CPU1则直接运行裸机程序，主要是为了实时的响应串口命令和各种软硬件中断，实现系统参数的在线设置。除此之外，CPU1还通过I2C接口初始化视频驱动芯片，使其能够正确的显示图像。
本发明的显著特点如下：
1.采用全可编程平台Zynq，降低了硬件的设计难度，大大缩小了系统体积。
2.消除了芯片级互联所产生的带宽瓶颈，增加了系统对高速大数据量的实时处理能力。
3.构建了异构多核的红外图像处理系统，两个ARM核和可编程逻辑各自分工不同，协同工作，使得系统有更高的并行效率。
4.利用可编程逻辑实现模块IP的设计以及图像处理算法的硬件加速，使得系统的通用性非常强大。
附图说明
图1是异构多核红外图像处理系统的系统架构框图。
图2是异构多核红外图像处理系统的软件架构框图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1是异构多核红外图像处理系统的系统架构框图。本发明所采用的硬件平台主要包括，一片全可编程芯片Zynq，一片DDR3SDRAM，一片SD卡，一片视频驱动芯片和一台显示器。
所述的全可编程芯片Zynq选用的是Xilinx Zynq-7000系列，型号为XC7Z020-CLG484，其内部结构分为处理器系统(Process System,PS)与可编程逻辑(Programmable Logic,PL)两部分。处理器核心为ARM Cortex A9双核处理器，每个处理器都有独立的多媒体处理引擎、浮点数运算单元、内存管理单元以及32KB的第一级指令和数据高速缓存，并共享512KB的第二级高速缓存和256KB的片上存储器。最高的运行频率为800MHz，拥有DDR控制器、USB控制器、定时器和8个DMA通道，支持Quad-SPI、SPI、I2C、UART、CAN、SD等多种外设接口。可编程逻辑(PL)本质上是Xilinx FPGA，其具有丰富的可配置资源，有85K个逻辑单元，5万多个查找表结构，560KB的片内存储器，220个DSP运算单元，200个IO口以及时钟管理等可配置模块。Zynq内部共有9个AXI接口，包括：4个AXI_HP接口为PL访问DDR和片上存储器提供了高带宽的数据通路，4个AXI_GP接口实现任意主从设备的连接，1个AXI_ACP接口提供了可编程逻辑访问处理器缓存的低延时通路。
所述的DDR3SDRAM芯片选用的是MT41J128M16HA-15E:D，数据总线位宽为16位，总容量为512MB，能为系统运行提供足够大的内存空间。
所述的SD卡选用的SanDisk公司容量为4GB的SD卡，文件系统为FAT32，用于存储Linux镜像、文件系统、设备树文件以及启动配置文件。系统运行时，SD卡挂载到Linux操作系统，用于存储系统运行状态及相关文件。
所述的视频驱动芯片选用的是AD公司的ADV7511，它是一款225MHz的HDMI发送器，全面支持HDMI1.4协议，支持全部的高清制式，可用于系统红外图像的显示。
所述的显示器带有HDMI接口，最高支持1080p60Hz的视频格式。
图2是异构多核红外图像处理系统的软件架构框图。本发明的软件层面主要包含：引导程序Boot loader、Linux内核与驱动、板级支持包与用户自定义IP的驱动、Linux操作系统及Qt应用程序、裸机程序(直接在ARM核上运行的无操作系统的程序)。
系统的启动过程为：上电复位以后，CPU0将在片上的Boot ROM中开始执行启动代码，这部分代码是固化到ROM中的，不可更改，主要负责对NAND、NOR、QSPI、SD与配置访问接口等基本外设控制器进行初始化，使得ARM能正常访问这些外设。然后Boot ROM中的代码会根据外部引脚模式来从不同的外部存储器中加载第一阶段引导程序(FSBL)，FSBL负责完成处理器系统(PS)的初始化，使用比特流文件对可编程逻辑(PL)进行配置，加载第二阶段引导程序(SSBL)和裸机程序到内存空间，然后跳转执行SSBL(即u-boot)，u-boot会完成更多外设的初始化，并且将Linux内核拷贝到DDR内存中，展开设备树，在CPU0上启动Linux操作系统与Qt程序。然后由CPU0将裸机程序的入口地址写入CPU1的程序加载地址，在CPU1上运行裸机程序。
Linux的内核与驱动主要是提供了操作系统服务以及上层Qt应用程序与底层硬件交互的接口。视频缓冲驱动为显示图像提供接口。I2C驱动使得Qt程序能够直接修改设置ADV7511的寄存器参数，调整图像显示制式。GPIO驱动是为了控制系统状态的显示以及为其他模块提供复位信号。USB驱动提供了鼠标和键盘的控制。视频DMA驱动负责响应底层VDMA中断，并实现图像数据流从HDMI发送模块到视频缓冲模块的VDMA传输。同样板级支持包与用户自定义IP的驱动也是为裸机程序操作底层硬件提供软件接口，使得裸机程序能直接访问底层硬件模块的寄存器。
应用程序分两部分，一是运行在CPU0上的Qt显控界面程序，主要是为系统提供了显示界面，便于人机交互与控制。第二部分是运行在CPU1上的裸机程序，功能是实时响应CPU0的串口命令以及其他的软硬件中断。
Claims (2)
1.一种异构多核的红外图像处理系统，它包括全可编程芯片Zynq、DDR3SDRAM、SD卡、视频驱动芯片和显示器，其特征在于：
所述的全可编程芯片Zynq包含双核ARM处理器以及可编程逻辑；所述的DDR3SDRAM容量在512MB-16GB之间，数据总线不超过32位；所述的SD卡容量不小于4GB，采用FAT32文件系统；所述的视频驱动芯片具有HDMI输出以及通用的寄存器控制接口；所述的显示器带有HDMI接口，支持720p60Hz视频格式；
红外探测器输出经模数转换后与全可编程芯片Zynq的可编程逻辑部分连接；可编程逻辑部分的逻辑以模块IP的形式通过AXI总线连接到全可编程芯片Zynq的片内ARM处理器；ARM处理器通过内部集成的控制器控制外围设备。
2.一种基于权利要求1所述异构多核的红外图像处理系统的红外图像信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：
1）利用全可编程芯片Zynq片内的可编程逻辑，产生红外探测器的驱动时序和电机的控制信号，控制红外探测器输出，同时构建片内缓存，用于接收模数转换后的数字图像信号；
2）图像处理算法利用可编程逻辑实现，图像从外部存储器中读入，经硬件处理后，利用视频直接存储器访问方式传递给视频驱动芯片用于显示；
3）以全可编程芯片Zynq片内的双核ARM处理器为核心，搭建红外图像处理系统，其中在CPU0上运行Linux操作系统，实现各个硬件IP的驱动，并在用户空间利用Qt实现系统的图形用户界面，用于人机交互和控制，为了实时的响应串口命令和各种软硬件中断，实现系统参数的在线设置，CPU1直接运行裸机程序，此外，CPU1还通过I2C接口初始化视频驱动芯片，使其能够正确的显示图像。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20131127 |